Teleskopla Ay ve gezegen çekimi

Kanca

2,56 metrelik İskandinav Optik Teleskobu. Cambridge'den bir ekip, Messier avı dersinde tanıdığımız küresel küme M15'in yoğun çekirdeğine saniyede on iki kare hızla çekim yapıyor. Teleskobun olağan yönlendirme sisteminin verdiği görüntüde yıldızlar yaklaşık 0,63 yay saniyesi genişliğinde bulanık lekelerdir. Ama ekip aynı çekimlerden yalnızca en keskin yüzde onluk kareyi seçip birleştirdiğinde yıldızların genişliği yaklaşık 0,26 yay saniyesine iner.

Aynı teleskop, aynı gece, aynı yıldızlar. Tek fark, kötü kareleri atmak. Gezegen fotoğrafçıları bu yönteme şanslı görüntüleme (lucky imaging) der ve bugün küçük teleskoplarla bahçelerden çekilen keskin Jüpiter fotoğraflarının çoğu böyle yapılır.

Merkezi soru

Havanın titreşimi Ay'ı ve gezegenleri neden bulanıklaştırır ve bir video kaydının binlerce karesinden keskin bir görüntü nasıl elde edilir?

Anlatım

Sorun: titreyen hava

Yıldızlar neden titreşir dersinde, havanın farklı sıcaklıktaki katmanlarının ışığı sürekli büktüğünü ve yıldızların bu yüzden pırıldadığını görmüştük. Bir teleskopta aynı etki gezegen diskini titretir, kaydırır ve bulanıklaştırır. Uzun bir pozlama bu titreşimlerin hepsini üst üste toplar ve ince ayrıntıları siler.

Ama havanın titreşimi her an aynı değildir. Çok kısa bir pozlama havayı adeta dondurur ve bazı anlarda hava tesadüfen sakin olur. Fizikçi Fried, 1978'de Journal of the Optical Society of America'da yayımlanan makalesinde, türbülanslı bir havadan bakarken "şanslı" bir kısa pozlama elde etme olasılığını hesapladı. Fikir basittir: yeterince çok kısa kare çekersen, bazıları neredeyse havasız bir gökyüzünden çekilmiş gibi keskin çıkar.

Yöntem: çok kare, sıkı seçim

Nicholas Law, Craig Mackay ve John Baldwin'in 2005'te duyurduğu çalışma bu fikri büyük bir teleskopta sınadı. Kameraları çok düşük gürültülü bir algılayıcıyla saniyede on kareden fazla çekiyordu. Her kısa kare farklı bir türbülansla bozulduğu için görüntü kalitesi kareden kareye hızla değişiyordu. Ekip, son görüntüyü yalnızca belirli bir kalite ölçütünü karşılayan kareleri seçip üst üste koyarak oluşturdu.

Sonuçlar çarpıcıydı. Ekibe göre iyi havada kırınım sınırına yakın görüntüler elde edildi; daha kötü havada ise çözünürlük düzenli olarak 2,5 ila 4 kat iyileşti. Karelerin yalnızca en iyi yüzde birini seçmek, yıldız ışığının merkezde toplanma ölçüsünü, bütün kareleri kullanmaya göre iki katından fazla artırdı.

Çözümlü hesap: kaç kare, kaç tanesi işe yarar?

Law ve arkadaşlarının kamerası çoğunlukla saniyede 12 kare çekiyordu. Bir dakikalık bir kayıt 12 çarpı 60, yani 720 kare eder. En iyi yüzde onu seçersen 72 kare, en iyi yüzde biri seçersen yaklaşık 7 kare kalır.

Kanca'daki M15 örneğinde, olağan yönlendirme görüntüsünde 0,63 yay saniyesi olan yıldız genişliği, en iyi yüzde onluk seçimle 0,26 yay saniyesine indi. 0,63'ü 0,26'ya bölersen yaklaşık 2,4 eder: aynı teleskopla elde edilen görüntü, yalnızca kare seçimiyle yaklaşık iki buçuk kat keskinleşti. Bu, ekibin kötü havada bildirdiği 2,5 ila 4 katlık iyileşmenin alt ucuna denk düşer.

Buradan bir ödünleşim çıkar. Daha az kare seçmek daha keskin, ama daha az ışıklı ve daha gürültülü bir sonuç verir; daha çok kare seçmek gürültüyü azaltır ama bulanık kareleri de işin içine katar. Telefonla gökyüzü fotoğrafı dersinde kareleri birleştirmenin gürültüyü azalttığını görmüştük; şanslı görüntülemede bu kazancın bir kısmı keskinlik için feda edilir.

Amatörün iş akışı

Bugün amatör gezegen fotoğrafçıları aynı yöntemi küçük teleskoplarla uygular. Teleskoba bağlanan hızlı bir kamerayla birkaç dakikalık video kaydı alınır. Sonra ücretsiz yazılımlar bu kaydı işler.

Yaygın bir yazılım olan AutoStakkert!'ın geliştiricisi Emil Kraaikamp (okunuşu "emil kraykamp"), iş akışını kendi sitesinde anlatıyor. Yazılım bir kaydın içindeki karelerin yalnızca en keskin bölümlerini seçip birleştirir; üstelik kare kare değil, görüntünün küçük parçaları için ayrı ayrı. Kraaikamp, gezegen fotoğrafçılarının şanslı görüntülemeyi bir kaydın içinde olduğu kadar kayıtlar arasında da yaptığını, yani saatlerce süren malzemenin içinden yalnızca en iyi kayıtları seçtiğini yazıyor. Kendi Jüpiter çekiminden örnek veriyor: havanın pek iyi olmadığı bir gecede her kayıttan karelerin yalnızca yüzde otuz ila kırkını birleştirmiş.

Birleştirilmiş görüntü hâlâ biraz yumuşaktır. Son adım keskinleştirmedir. RegiStax gibi yazılımlar, görüntüyü farklı ölçeklerdeki ayrıntılara ayırıp her ölçeği ayrı ayrı güçlendiren dalgacık (wavelet) süzgeçleri sunar. Bu adım ölçülü yapılmalı: keskinleştirme yeni ayrıntı yaratmaz, yalnızca var olanı belirginleştirir.

Jüpiter döner: kaydın süresi sınırlıdır

Gezegenler de durmaz. NASA'ya göre Jüpiter, Güneş Sistemi'nin en kısa gününe sahiptir ve kendi ekseni çevresinde yaklaşık 9,9 saatte bir döner. Bu, dakikada yaklaşık 0,6 derecelik bir dönüş demektir.

Diskin ortasındaki bir bulut, bir dakikada gezegenin yarıçapının yaklaşık yüzde biri kadar yer değiştirir. Kayıt uzadıkça, ilk karelerdeki bulut kuşakları son karelerdekilerle üst üste binmez ve ayrıntı bulanıklaşır. Bu yüzden Jüpiter kayıtları birkaç dakikayla sınırlı tutulur. Kraaikamp, daha uzun süreleri birleştirmek için WinJUPOS adlı yazılımla her kaydı aynı ana göre döndürüp düzelttiğini anlatıyor. Aynı sitede belirttiği gibi Mars'ın dönüşü yaklaşık 25 saat sürdüğü için Mars'ta bu sorun daha yavaş büyür.

Ay: aynı yöntem, bol ışık

Ay aynı yöntemin en kolay hedefidir. Işığı bol olduğu için kamera çok kısa pozlamalarla ve yüksek kare hızıyla çalışabilir; bu da havanın titreşimini dondurmayı kolaylaştırır. Ay'ı gözlemek dersinde öğrendiğin gibi en etkileyici ayrıntılar terminatör boyunca görünür; kısa bir video kaydı, oradaki kraterlerin gölgelerini şanslı anlarda keskin yakalar.

İlk deneme için tek bir krater ya da bir dağ sırası yeterli bir hedeftir; bütün diski bir kerede çekmeye çalışmak yerine küçük bir bölgeye odaklanmak, sonucu değerlendirmeyi de kolaylaştırır.

Aslında…

Büyük resim

Şanslı görüntüleme, astronominin en eski sorunlarından birine, yeryüzünün titreyen havasına, istatistikle verilmiş bir cevaptır. Havayı düzeltemiyorsak, havanın kendiliğinden sakin olduğu anları yakalayabiliriz. Profesyonel gözlemevlerinin uyarlamalı optikle havayı aynalarla düzelttiği yerde, amatörler aynı hedefe binlerce kare ve sabırla ulaşır.

Bu yöntem, tek bir fotoğrafın aslında bir deney olduğunu da gösterir: bir kayıt, bir seçim ölçütü ve bir sonuç. Aynı kaydı yüzde bir, yüzde on ve yüzde elli seçimle işleyip karşılaştırmak, gökbilimcilerin ölçüm yaparken verdikleri kararları küçük ölçekte tekrarlamaktır.

Özet

1. Havanın titreşimi uzun pozlamalarda birikir ve gezegen ayrıntılarını siler; ama çok kısa pozlamaların bazıları, Fried'ın 1978'de olasılığını hesapladığı gibi, şans eseri sakin anlara denk gelir.
2. Şanslı görüntülemede çok sayıda kısa kare çekilir ve yalnızca en keskinleri birleştirilir; Law ve arkadaşları saniyede 12 kareyle ve en iyi yüzde onluk seçimle M15'teki yıldız genişliğini 0,63'ten 0,26 yay saniyesine indirdi.
3. Amatörler video kaydını AutoStakkert! gibi yazılımlarla işleyip dalgacık süzgeçleriyle keskinleştirir; Jüpiter yaklaşık 9,9 saatte döndüğü için kayıtlar birkaç dakikayla sınırlanır ya da dönüş yazılımla düzeltilir.

Görev

Quiz

1. Uzun bir pozlama neden gezegen ayrıntılarını siler?
2. Şanslı görüntülemenin temel fikri nedir?
3. Saniyede 12 kare çeken bir kamerayla bir dakikalık kayıttan en iyi yüzde on seçilirse kaç kare kalır?
4. Jüpiter kayıtları neden birkaç dakikayla sınırlı tutulur?
5. Daha az kare seçmenin avantajı ve bedeli nedir?

Cevaplar

1. Çünkü havanın titreşimi pozlama boyunca görüntüyü sürekli kaydırır ve bozar; bu bozulmalar üst üste birikir.
2. Havayı donduracak kadar kısa çok sayıda kare çekip, havanın tesadüfen sakin olduğu anlara denk gelen en keskin kareleri seçerek birleştirmek.
3. 720 karenin yüzde onu, yani 72 kare.
4. Çünkü Jüpiter yaklaşık 9,9 saatte döner; kayıt uzarsa bulut kuşakları yer değiştirir ve kareler üst üste binmez.
5. Görüntü daha keskin olur, ama daha az ışık toplandığı için daha gürültülü çıkar.

Kaynaklar

Sonraki derse köprü

Gezegenler parlak olduğu için saniyenin kesirlerinde çekilebilir. Bulutsular ve galaksiler ise o kadar sönüktür ki dakikalarca ışık toplamak gerekir; ama gökyüzü dönerken makine sabit durursa yıldızlar iz bırakır. Makineyi gökyüzüyle birlikte döndüren takip kafaları ve kundaklar nasıl çalışır, nasıl kurulur?